Грибы, которые эволюционировали, чтобы питаться древесиной, предлагают новый инструмент для конверсии биомассы
Двадцать лет назад микробиолог Барри Гудделл (ныне профессор Университета Массачусетса в Амхерсте) и его коллеги обнаружили уникальную систему, которую некоторые микроорганизмы используют для переваривания и переработки древесины. Были идентифицированы три порядка грибов бурой гнили, способных разлагать биомассу, но детали механизма оставались неизвестны.
Теперь, используя несколько взаимодополняющих исследовательских методов, Гудделл и коллеги сообщают о новых деталях этого неожиданного механизма, который, что удивительно, не задействует ферменты — обычные ускорители химических реакций. Вместо этого базидиомицеты бурой гнили используют неферментативный, хелатор-опосредованный метод биокатализа, который «очень отличается от используемого любым другим изученным микроорганизмом». Хелаторы — это органические соединения, связывающие ионы металлов, и в данном случае они также генерируют гидроксильные радикалы для расщепления древесины и получения простых химических строительных блоков.
Коллеги из Национальной лаборатории Ок-Ридж охарактеризовали открытие как «смену парадигмы в понимании грибкового биокатализа для конверсии биомассы». Результаты опубликованы в текущем выпуске журнала Biotechnology for Biofuels. По словам Гудделла, их исследование грибковых систем биоконверсии рассматривает новый механизм, который потенциально можно использовать на биоперерабатывающих заводах для «деконструкции» древесной биомассы с целью её превращения в платформенные химические вещества для биополимеров или энергетических продуктов.
Грибы бурой гнили встречаются в Северном и Южном полушариях и являются одними из самых распространенных грибов разложения в Северной Америке. Поскольку они эволюционировали относительно недавно, видов бурой гнили меньше по сравнению с более древними видами белой гнили. «Однако из-за своей эффективности в деградации древесины грибы бурой гнили стали доминировать, особенно в разложении хвойных пород», — говорит Гудделл. Сейчас они перерабатывают около 80% углерода биомассы хвойных пород в мире, сосредоточенной в основном в крупных лесах Северного полушария.
Гудделл отмечает, что большинство микроорганизмов используют для расщепления соединений ферменты, но ферменты — это огромные молекулы, и их производство физиологически «дорого» из-за высокого содержания азота. «Учёные раньше думали, что эти грибы делают отверстия в клеточной стенке, чтобы пропустить большие ферменты» (своего рода модель предварительной обработки), но это не так.
«Изучаемые нами грибы используют вместо этого неферментативную, каталитическую хелатор-опосредованную систему Фентона — очень простой процесс, который использует перекись водорода (также генерируемую грибной системой) и железо из окружающей среды». Исследователи полагают, что эффективность грибов бурой гнили связана именно с использованием хелатор-опосредованной системы Фентона, а не исключительно ферментов, как у грибов белой гнили.
«Эта группа грибов бурой гнили выяснила, как генерировать гидроксильные радикалы на расстоянии, вдали от гриба, чтобы радикалы не повредили его самого, расщепляя древесину». Гидроксильные радикалы очень опасны для клеток, являясь наиболее мощными окислителями, известными в биологических системах.
Для этой работы Гудделл и его коллеги, включая соавтора Джоди Джеллисон, использовали набор исследовательских методов: малоугловое нейтронное рассеяние (SANS), спектроскопию генерации суммарной частоты (SFG), инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR), рентгеновскую дифракцию (XRD), атомно-силовую микроскопию (AFM) и просвечивающую электронную микроскопию (TEM).
Гудделл поясняет: «Эти грибы действительно производят ограниченное количество ферментов, но они вступают в игру после неферментативного превращения, осуществляемого грибами с помощью хелаторов». Хелаторы являются вторичными метаболитами, и их функцию трудно отследить с помощью «омиксных» технологий, таких как геномика. Используя множество передовых методов, учёные увидели, что некоторые очень мелкие низкомолекулярные соединения проникают в клеточную стенку. Новая статья описывает, как это происходит.
Процесс начинается с того, что грибы находятся в люмене — полом пространстве внутри растительных клеток. Используя свои гифы (нитевидные ростовые нити), грибы затем начинают биохимическую атаку на компоненты клеточной стенки древесины.
«Эта группа грибов эволюционировала таким образом, чтобы сначала диффундировать хелаторы в клеточную стенку. Гриб производит хелатор и генерирует перекись водорода из кислорода, и вместе они начинают переваривать клеточную стенку до глюкозы — сахара, являющегося основным строительным блоком древесины, который гриб может использовать в пищу. Вот как эти грибы поедают древесину».